CN113495570B - 一种固定翼无人机舰面自主引导控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于无人机控制领域，具体涉及—种固定翼无人机舰面自主引导控制系统及方法，系统包括自主导引操纵显示设备、自主导引中央处理设备、无人机端机载无线通信设备和舰船端舰岛无线通信设备；方法包括人工引导模式、自主引导模式和人工修正模式。本技术方案可根据舰岛规划的滑行路径自动引导控制无人机在甲板上自主转运，同时甲板工作人员可根据甲板环境变化或飞机机械响应情况人工介入以修正无人机滑行状态，该方法可以实现舰载无人机舰面自主、安全、精确转运；另外，本技术方案控制效果较好，将轨迹误差控制在了0.25m以内。

Description

一种固定翼无人机舰面自主引导控制系统及方法

技术领域

本发明属于无人机控制领域，具体涉及—种固定翼无人机舰面自主引导控制系统及方法。

背景技术

伴随着中大型弹射起飞无人机的上舰，其在舰面上的转运问题也随之而来。对于舰载无人机，虽然陆基无人机已经实现了自主驶入驶出功能，但由于受到航母甲板条件限制，其引导精度要求更高，实现飞机定点、定向的精确引导控制尤为重要。若舰岛直接将控制指令发送给无人机，无人机在甲板上自主转运。受制于甲板环境，出现紧急情况时，舰岛指挥人员无法第一时间掌握情况并采取应急措施，也无法根据飞机机械系统动态响应实时修正滑行路径。在弹射作业和拦阻作业时，也需要甲板工作人员近距离指挥无人机开展弹射杆挂接张紧、拦阻钩放下脱离等流程。

发明内容

本技术方案根据上述无人机领域的发展需要，提供—种固定翼无人机舰面自主引导控制系统及方法，该方法可根据舰岛规划的滑行路径自动引导控制无人机在甲板上自主转运，同时甲板工作人员可根据甲板环境变化或飞机机械响应情况人工介入以修正无人机滑行状态，该方法可以实现舰载无人机舰面自主、安全、精确转运。

具体通过以下技术方案实现：

一种固定翼无人机舰面自主引导控制系统，包括：

自主导引操纵显示设备：自主导引操纵显示设备为配置有操纵按钮和握杆的可穿戴设备，操作人员将其穿戴在手臂上，通过操纵按钮和握杆控制无人机，在自主导引操纵显示设备的显示屏上显示无人机和舰船甲板状态信息；

自主导引中央处理设备：自主导引中央处理设备为系统的处理核心，操作人员将其挂在腰间，通过线缆与自主导引操纵显示设备进行通信连接；

无人机端机载无线通信设备：安装在无人机上，通过无线链路与自主导引中央处理设备通信连接，通过线缆与无人机的飞行器管理计算机通信连接；

舰船端舰岛无线通信设备：安装在舰岛指挥站中，通过无线链路与自主导引中央处理设备通信连接，通过线缆与舰岛指挥站中的上位机通信连接。

基于上述一种固定翼无人机舰面自主引导控制系统，本技术方案公开—种固定翼无人机舰面自主引导控制方法，包括：

人工引导模式：操作人员通过自主导引操纵显示设备对无人机进行控制，无人机完全按照操作人员的操纵指令滑行；

自主引导模式：无人机在自主导引中央处理设备的控制下自主滑行；

人工修正模式：操作人员根据自主滑行的状态进行修正，使无人机按照规划路径滑行。

具体的，所述人工引导控制包括以下步骤：

S11,启动自主导引操纵显示设备和自主导引中央处理设备；

S12，检查无人机、舰岛指挥站、自主导引操纵显示设备、自主导引中央处理设备，以确保无通信故障和自检故障；

S13，通过自主导引操纵显示设备设置飞机状态，设置的飞机状态中，发动机为慢车、前轮转弯工作模式为减摆、飞行阶段为地面等待、飞机工作模式为任务、前轮转弯角度为零、刹车为满刹；

S14，设置自主导引操纵显示设备状态，设置的自主导引操纵显示设备状态中，转弯模式为减摆、转弯角度为零、刹车100%、发动机转速为一档、引导模式为人工；

S15，在无通信故障和自检故障条件下，在飞机地面站上将飞行阶段设置为引导，在舰岛指挥站将引导指令设置为进入引导；

S16，保持已设置的自主导引操纵显示设备状态，在无通信故障和自检故障条件下按下解锁按钮进入引导状态；

S17，在自主导引操纵显示设备上保持刹车指令为100%，分别对前轮转弯、发动机进行控制，并观察各项状态回报是否与指令一致；

S17，设置刹车指令为零、转弯模式为转弯，通过自主导引操纵显示设备的操纵杆控制无人机滑行，将无人机引导至指定位置并刹停；

S18，设置并保持自主导引操纵显示设备状态，在自主导引操纵显示设备的状态中，转弯模式为减摆、转弯角度为零、刹车100%、发动机转速一档、引导模式为人工；

S19，在舰岛指挥站将引导指令设置为退出引导，在飞机地面站上将飞行阶段设置为地面等待，然后退出引导状态，完成人工引导流程。

具体的，所述自主引导模式包括以下步骤：

S21，重复步骤S11-S19的操作；

S22，在舰岛指挥站上规划滑行路径，并通过舰船端舰岛无线通信设备将滑行路径信息发送到自主导引中央处理设备；

S23，在自主导引操纵显示设备上将引导模式设置为自主，利用自主导引中央处理设备基于规划路径自主引导无人机至目标点，此时自主导引中央处理设备将刹车指令置为零，使飞机滑行到目标点时自动刹停；

S24，在舰岛指挥站将引导指令设置为退出引导，在飞机地面站上将飞行阶段设置为地面等待，即退出引导状态，完成自主引导流程。

具体的，所述人工修正模式包括以下步骤：

S31，重复步骤S11-S19的操作；

S32，在舰岛指挥站上规划滑行路径，并通过舰船端舰岛无线通信设备将滑行路径信息发送到自主导引中央处理设备；

S33，在自主导引操纵显示设备上将引导模式设置为自主，使自主导引中央处理设备开始按照规划路径自主引导飞机滑行，此时自主导引中央处理设备将刹车指令置为零；

S34，在自主引导过程中，将无人机实际滑行情况与所规划的滑行情况进行对比；若无人机实际滑行路径与规划路径偏离过大和/或滑行速度过大，则将引导模式设置为修正，并对刹车和前轮转弯进行修正，直至无人机滑行到目标位置；

S35，在舰岛指挥站将引导指令设置为退出引导，在飞机地面站上将飞行阶段设置为地面等待，然后退出引导状态，完成人工引导流程。

优选的，所述步骤S23中，自主导引中央处理设备是通过实时解算自主引导控制律，以对无人机进行自主引导滑行，包括以下步骤：

S23-1，基于自主导引中央处理设备内部的导航算法，使自主导引中央处理设备根据无人机当前的位置信息、航向信息和目标轨迹，解算出无人机当前的期望位置和期望航向；

S23-2，根据无人机的实际位置、实际航向、期望位置、期望航向计算无人机当前的位置误差和航向误差；

S23-3，基于自主导引中央处理设备中，位置控制器和航向角控制器双闭环结构，自主导引中央处理设备根据位置误差和航向误差解算无人机前轮转弯角度控制量来控制无人机在舰面上自主滑行。

本技术方案带来的有益效果：

本技术方案可根据舰岛规划的滑行路径自动引导控制无人机在甲板上自主转运，同时甲板工作人员可根据甲板环境变化或飞机机械响应情况人工介入以修正无人机滑行状态，该方法可以实现舰载无人机舰面自主、安全、精确转运。另外，本技术方案控制效果较好，将轨迹误差控制在了0.25m以内。

附图说明

图1为系统结构原理框图；

图2为自主引导控制原理框图；

图3为人工引导流程图；

图4为自主引导流程图；

图5为人工修正引导流程图；

图6为规划滑行路径及实际航迹曲线；

图7为轨迹误差曲线。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是为了解释本发明而非对本发明的限定。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

本实施例公开了—种固定翼无人机舰面自主引导控制系统，作为本发明一种基本的实施方案，包括：自主导引操纵显示设备、自主导引中央处理设备、无人机端机载无线通信设备和舰船端舰岛无线通信设备。其中，自主导引操纵显示设备为配置有操纵按钮和握杆的可穿戴设备，操作人员将其穿戴在手臂上，通过操纵按钮和握杆控制无人机，在自主导引操纵显示设备的显示屏上显示无人机和舰船甲板状态信息；自主导引中央处理设备为系统的处理核心，操作人员将其挂在腰间，通过线缆与自主导引操纵显示设备进行通信连接；无人机端机载无线通信设备安装在无人机上，通过无线链路与自主导引中央处理设备通信连接，通过线缆与无人机的飞行器管理计算机通信连接；舰船端舰岛无线通信设备安装在舰岛指挥站中，通过无线链路与自主导引中央处理设备通信连接，通过线缆与舰岛指挥站中的上位机通信连接。

本技术方案的原理为：舰岛指挥人员通过舰船端舰岛无线通信设备将预定滑行路径、滑行指令等相关控制信息发送到自主导引中央处理设备；无人机将滑行速度、前轮转弯角度、刹车压力等无人机状态信息通过无人机端机载无线通信设备发送到自主导引中央处理设备；自主导引中央处理设备将滑行路径、相关控制指令和无人机状态信息发送到自主导引操纵显示设备；操作员根据无人机和甲板状态操纵自主导引操纵显示设备，自主导引操纵显示设备将操纵指令发送到自主导引中央处理设备；自主导引中央处理设备根据滑行路径、控制指令、无人机状态解算控制律，并通过无线链路将前轮转弯角度指令、刹车压力指令、发动机转速指令等控制指令和导引状态发送到无人机，通过无线链路将无人机状态和导引状态发送到舰岛指挥站；无人机根据自主导引中央处理设备的控制指令在舰船甲板上滑行；无人机滑行过程中，操作员可以根据无人机和舰船甲板状态修正无人机的滑行路径，也可在紧急情况下立刻刹停无人机，确保无人机和舰船甲板安全。

本技术方案通过四种设备配合使用，可根据舰岛规划的滑行路径自动引导控制无人机在甲板上自主转运，同时甲板工作人员可根据甲板环境变化或飞机机械响应情况人工介入以修正无人机滑行状态，该方法可以实现舰载无人机舰面自主、安全、精确转运。

实施例2

本实施例公开了—种固定翼无人机舰面自主引导控制方法，作为本发明一种基本的实施方案，为了无人机在舰面引导的安全性和便捷性，控制方法包括：

人工引导模式：操作人员通过自主导引操纵显示设备对无人机进行控制，无人机完全按照操作人员的操纵指令滑行，具体包括以下步骤：

S11,启动自主导引操纵显示设备和自主导引中央处理设备；

S12，检查无人机、舰岛指挥站、自主导引操纵显示设备、自主导引中央处理设备，以确保无通信故障和自检故障；

S13，通过自主导引操纵显示设备设置飞机状态，设置的飞机状态中，发动机为慢车、前轮转弯工作模式为减摆、飞行阶段为地面等待、飞机工作模式为任务、前轮转弯角度为零、刹车为满刹；

S14，设置自主导引操纵显示设备状态，设置的自主导引操纵显示设备状态中，转弯模式为减摆、转弯角度为零、刹车100%、发动机转速为一档、引导模式为人工；

S15，在无通信故障和自检故障条件下，在飞机地面站上将飞行阶段设置为引导，在舰岛指挥站将引导指令设置为进入引导；

S16，保持已设置的自主导引操纵显示设备状态，在无通信故障和自检故障条件下按下解锁按钮进入引导状态；

S17，在自主导引操纵显示设备上保持刹车指令为100%，分别对前轮转弯、发动机进行控制，并观察各项状态回报是否与指令一致；

S17，设置刹车指令为零、转弯模式为转弯，通过自主导引操纵显示设备的操纵杆控制无人机滑行，将无人机引导至指定位置并刹停；

S18，设置并保持自主导引操纵显示设备状态，在自主导引操纵显示设备的状态中，转弯模式为减摆、转弯角度为零、刹车100%、发动机转速一档、引导模式为人工；

S19，在舰岛指挥站将引导指令设置为退出引导，在飞机地面站上将飞行阶段设置为地面等待，然后退出引导状态，完成人工引导流程。

自主引导模式：无人机在自主导引中央处理设备的控制下自主滑行，具体包括以下步骤：

S21，重复步骤S11-S19的操作；

S22，在舰岛指挥站上规划滑行路径，并通过舰船端舰岛无线通信设备将滑行路径信息发送到自主导引中央处理设备；

S23，在自主导引操纵显示设备上将引导模式设置为自主，利用自主导引中央处理设备基于规划路径自主引导无人机至目标点，此时自主导引中央处理设备将刹车指令置为零，使飞机滑行到目标点时自动刹停；

S24，在舰岛指挥站将引导指令设置为退出引导，在飞机地面站上将飞行阶段设置为地面等待，即退出引导状态，完成自主引导流程。

人工修正模式：操作人员根据自主滑行的状态进行修正，使无人机按照规划路径滑行，具体包括以下步骤：

S31，重复步骤S11-S19的操作；

S32，在舰岛指挥站上规划滑行路径，并通过舰船端舰岛无线通信设备将滑行路径信息发送到自主导引中央处理设备；

S33，在自主导引操纵显示设备上将引导模式设置为自主，使自主导引中央处理设备开始按照规划路径自主引导飞机滑行，此时自主导引中央处理设备将刹车指令置为零；

S34，在自主引导过程中，将无人机实际滑行情况与所规划的滑行情况进行对比；若无人机实际滑行路径与规划路径偏离过大和/或滑行速度过大，则将引导模式设置为修正，并对刹车和前轮转弯进行修正，直至无人机滑行到目标位置；

S35，在舰岛指挥站将引导指令设置为退出引导，在飞机地面站上将飞行阶段设置为地面等待，然后退出引导状态，完成人工引导流程。

本技术方案可根据舰岛规划的滑行路径自动引导控制无人机在甲板上自主转运，同时甲板工作人员可根据甲板环境变化或飞机机械响应情况人工介入以修正无人机滑行状态，该方法可以实现舰载无人机舰面自主、安全、精确转运。本技术方案控制效果较好，如图6所示规划滑行路径及实际航迹曲线，可见规划滑行路径与实际航迹基本重合，如图7所示的轨迹误差曲线，可见轨迹误差控制在了0.25m以内。

实施例3

本实施例公开了—种固定翼无人机舰面自主引导控制方法，作为本发明一种优选的实施方案，即实施例2中的步骤S23中，自主导引中央处理设备是通过实时解算自主引导控制律，以对无人机进行自主引导滑行，包括以下步骤：

S23-1，基于自主导引中央处理设备内部的导航算法，使自主导引中央处理设备根据无人机当前的位置信息、航向信息和目标轨迹，解算出无人机当前的期望位置和期望航向；

S23-2，根据无人机的实际位置、实际航向、期望位置、期望航向计算无人机当前的位置误差和航向误差；

S23-3，基于自主导引中央处理设备中，位置控制器和航向角控制器双闭环结构，自主导引中央处理设备根据位置误差和航向误差解算无人机前轮转弯角度控制量来控制无人机在舰面上自主滑行。

Claims (4)

1.一种固定翼无人机舰面自主引导控制方法，其特征在于，使用了一种固定翼无人机舰面自主引导控制系统，该自主引导控制系统包括：

自主导引操纵显示设备：自主导引操纵显示设备为配置有操纵按钮和握杆的可穿戴设备，操作人员将其穿戴在手臂上，通过操纵按钮和握杆控制无人机，在自主导引操纵显示设备的显示屏上显示无人机和舰船甲板状态信息；

自主导引中央处理设备：自主导引中央处理设备为系统的处理核心，操作人员将其挂在腰间，通过线缆与自主导引操纵显示设备进行通信连接；

无人机端机载无线通信设备：安装在无人机上，通过无线链路与自主导引中央处理设备通信连接，通过线缆与无人机的飞行器管理计算机通信连接；

舰船端舰岛无线通信设备：安装在舰岛指挥站中，通过无线链路与自主导引中央处理设备通信连接，通过线缆与舰岛指挥站中的上位机通信连接；

所述自主引导控制方法包括：

人工引导模式：操作人员通过自主导引操纵显示设备对无人机进行控制，无人机完全按照操作人员的操纵指令滑行；

自主引导模式：无人机在自主导引中央处理设备的控制下自主滑行；

人工修正模式：操作人员根据自主滑行的状态进行修正，使无人机按照规划路径滑行；

其中，所述人工引导控制包括以下步骤：

S11，启动自主导引操纵显示设备和自主导引中央处理设备，然后检查无人机、舰岛指挥站、自主导引操纵显示设备、自主导引中央处理设备，以确保无通信故障和自检故障；

S12，通过自主导引操纵显示设备设置飞机状态，设置的飞机状态中，发动机为慢车、前轮转弯工作模式为减摆、飞行阶段为地面等待、飞机工作模式为任务、前轮转弯角度为零、刹车为满刹；

S13，设置自主导引操纵显示设备状态，设置的自主导引操纵显示设备状态中，转弯模式为减摆、转弯角度为零、刹车100%、发动机转速为一档、引导模式为人工；

S14，在无通信故障和自检故障条件下，在飞机地面站上将飞行阶段设置为引导，在舰岛指挥站将引导指令设置为进入引导；

S15，保持已设置的自主导引操纵显示设备状态，在无通信故障和自检故障条件下按下解锁按钮进入引导状态；

S16，在自主导引操纵显示设备上保持刹车指令为100%，分别对前轮转弯、发动机进行控制，并观察各项状态回报是否与指令一致；

S17，设置刹车指令为零、转弯模式为转弯，通过自主导引操纵显示设备的操纵杆控制无人机滑行，将无人机引导至指定位置并刹停；

S18，设置并保持自主导引操纵显示设备状态，在自主导引操纵显示设备的状态中，转弯模式为减摆、转弯角度为零、刹车100%、发动机转速一档、引导模式为人工；

S19，在舰岛指挥站将引导指令设置为退出引导，在飞机地面站上将飞行阶段设置为地面等待，然后退出引导状态，完成人工引导流程。

2.如权利要求1所述—种固定翼无人机舰面自主引导控制方法，其特征在于，所述自主引导模式包括以下步骤：

S21，重复步骤S11-S19的操作；

S22，在舰岛指挥站上规划滑行路径，并通过舰船端舰岛无线通信设备将滑行路径信息发送到自主导引中央处理设备；

S23，在自主导引操纵显示设备上将引导模式设置为自主，利用自主导引中央处理设备基于规划路径自主引导无人机至目标点，此时自主导引中央处理设备将刹车指令置为零，使飞机滑行到目标点时自动刹停；

S24，在舰岛指挥站将引导指令设置为退出引导，在飞机地面站上将飞行阶段设置为地面等待，即退出引导状态，完成自主引导流程。

3.如权利要求2所述一种固定翼无人机舰面自主引导控制方法，其特征在于，所述人工修正模式包括以下步骤：

S31，重复步骤S11-S19的操作；

S32，在舰岛指挥站上规划滑行路径，并通过舰船端舰岛无线通信设备将滑行路径信息发送到自主导引中央处理设备；

S33，在自主导引操纵显示设备上将引导模式设置为自主，使自主导引中央处理设备开始按照规划路径自主引导飞机滑行，此时自主导引中央处理设备将刹车指令置为零；

S34，在自主引导过程中，将无人机实际滑行情况与所规划的滑行情况进行对比；若无人机实际滑行路径与规划路径偏离过大和/或滑行速度过大，则将引导模式设置为修正，并对刹车和前轮转弯进行修正，直至无人机滑行到目标位置；

S35，在舰岛指挥站将引导指令设置为退出引导，在飞机地面站上将飞行阶段设置为地面等待，然后退出引导状态，完成人工引导流程。

4.如权利要求2所述一种固定翼无人机舰面自主引导控制方法，其特征在于：所述步骤S23中，自主导引中央处理设备是通过实时解算自主引导控制律，以对无人机进行自主引导滑行，包括以下步骤：

S23-1，基于自主导引中央处理设备内部的导航算法，使自主导引中央处理设备根据无人机当前的位置信息、航向信息和目标轨迹，解算出无人机当前的期望位置和期望航向；

S23-2，根据无人机的实际位置、实际航向、期望位置、期望航向计算无人机当前的位置误差和航向误差；

S23-3，基于自主导引中央处理设备中，位置控制器和航向角控制器双闭环结构，自主导引中央处理设备根据位置误差和航向误差解算无人机前轮转弯角度控制量来控制无人机在舰面上自主滑行。

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